長(zhǎng)輸管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)工藝計(jì)算

李曉

摘 要：文章結(jié)合關(guān)中環(huán)線天然氣儲(chǔ)氣調(diào)峰管道工程，介紹了強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中一些基本的工藝計(jì)算，利用電阻電路模擬和數(shù)值解法分析了相鄰兩個(gè)陰極保護(hù)站間的管道的外加電位和電流變化的影響因素。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)輸管道；陰極保護(hù)；強(qiáng)制電流法；工藝計(jì)算

1.前言

強(qiáng)制電流陰極保護(hù)是埋地鋼質(zhì)管道防止腐蝕的主要技術(shù)，因其具有驅(qū)動(dòng)電位高，保護(hù)距離長(zhǎng)，便于監(jiān)測(cè)，并可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道。強(qiáng)制電流是通過(guò)外部的直流電源向被保護(hù)金屬構(gòu)筑物通以陰極電流使之陰極極化實(shí)現(xiàn)保護(hù)的一種方法。

2.強(qiáng)制電流法陰極保護(hù)設(shè)計(jì)工藝計(jì)算

2.1保護(hù)距離計(jì)算

長(zhǎng)輸管道進(jìn)行陰保的設(shè)計(jì)時(shí)，必須進(jìn)行陰保距離的計(jì)算合理布設(shè)陰保站。

（1） （2）

式中：

△V——最大保護(hù)電位與最小保護(hù)電位之差，單位為伏（V）；

Dp——管道外徑，單位為米（m）；

Js——管線保護(hù)電流密度，單位為（A/m2）；

Rs——單位長(zhǎng)度管道縱向電阻，單位為 （Ω/m）；

ρT——鋼材電阻率，單位為 （Ω·mm2/m）；

δ——管道壁厚，單位為毫米（mm）；

Lp——陰極保護(hù)半徑，單位為米（m）；

2Lp——陰極保護(hù)直徑，單位為米（m）。

2.2接地電阻的計(jì)算

強(qiáng)制電流消耗的電能約 60%～80%耗在陽(yáng)極地床上，如果陽(yáng)極接地電阻過(guò)大，會(huì)使能耗增加，深井式陽(yáng)極地床接地電阻的計(jì)算公式如式（3）所示：

Rv2= ln（ ）（t≥La） （3）

Rv2——深埋式輔助陽(yáng)極接地電阻，單位為歐（Ω）；

——土壤電阻率，單位為歐米（Ω·m）；

La——輔助陽(yáng)極長(zhǎng)度（含填料），單位為米（m）；

Da——輔助陽(yáng)極直徑（含填料），單位為米（m）；

t——輔助陽(yáng)極埋深（填料頂部距地表面），單位為米（m）。

2.3 管道沿線電位、電流計(jì)算

本文將用電阻電路模擬兩個(gè)陰極保護(hù)站間的埋地鋼質(zhì)管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，用數(shù)值解析法計(jì)算管道沿線的保護(hù)電位和電流。

管道的電位分布是強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，目前在管道的電位計(jì)算中普遍假設(shè)管道沿線各處的單位長(zhǎng)度縱向電阻和過(guò)渡電阻不變。實(shí)際上管道直徑變化、壁厚變化以及沿線土壤電阻率的差異在所難免，這都會(huì)與假設(shè)條件不符，從而引起計(jì)算結(jié)果誤差。

2.3.1 等效電阻方法

強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)由交流電源、輔助陽(yáng)極、管道和大地組成的回路。在該回路中，電源的負(fù)極與埋于地下的管道相連，電源的正極與埋于地下的輔助陽(yáng)極相連，使管道成為陰極而受到保護(hù)。

借助有限單元法的思路，將連續(xù)體的管道沿軸向分成若干個(gè)管段，各管段在數(shù)目有限的結(jié)點(diǎn)處相互連接，組成一個(gè)代替連續(xù)體的管段集合體。每個(gè)管段用兩個(gè)電阻表示其對(duì)電流通過(guò)的阻礙作用，一個(gè)電阻為該管段的縱向電阻，一個(gè)為該管段的過(guò)渡電阻。各管段的縱向電阻首尾相接，并通過(guò)過(guò)渡電阻與大地相連。過(guò)渡電阻主要取決于覆蓋層電阻，且與土壤電阻率有關(guān)。陰極保護(hù)站的輔助陽(yáng)極也用一個(gè)電阻表示，電阻值為該輔助陽(yáng)極的接地電阻。管道單元?jiǎng)澐謺r(shí)，要求每個(gè)單元內(nèi)的管徑和過(guò)渡電阻沒(méi)有變化；單元的長(zhǎng)度根據(jù)管道的具體情況而定，但最好不超過(guò) 500 m。

若陰極保護(hù)站的輸出電壓用 U 表示，輔助陽(yáng)極接地電阻為 R0；當(dāng)管道被分成 n 個(gè)管段時(shí)，R2i-1表示第 i 管段的縱向電阻，R2i表示第 i 管段的覆蓋層電阻，則可得到如圖 1 所示的等效電阻電路。

假設(shè)所討論管道的長(zhǎng)度為 L；第 i 管段的外徑為 Di，內(nèi)徑為 di，長(zhǎng)度為 i，管材的電阻率為 ρi，單位面積覆蓋層的電阻為 Rpi，則該管段的電阻：R2i-1= （4）；覆蓋層的電阻：R2i= （5）；當(dāng)?shù)趇管段某處

的覆蓋層破損，若破損處的接地電阻為r，覆蓋層電阻按式計(jì)算：

R2i= （6）

2.3.2解析法

在理想狀況下，管道沿線外加電位 E 和電流 I 的計(jì)算通式為

E=Aeax+Be-ax （7）

I= （ Aeax-Be-ax） （8）

式中：A、B 分別為由邊界條件確定的常數(shù)；rT為單位長(zhǎng)度的管道電阻（Ω/m）； RT為單位長(zhǎng)度的管道過(guò)渡電阻（Ω/m）；a= （9）

管道外加電位和電流分流分布如圖2所示，若上游保護(hù)站處的外加電位為E1， 電流為I1，下游保護(hù)站處的外加電位為E2，電流為I2。則邊界條件為：當(dāng)x=0時(shí)，E=E1，I=I1；當(dāng)x=L時(shí)，E=E2，I=I2。帶入以上公式求得：

E= （10）

I=- {E2ch（ax）-E1ch[a（L-x）]} （11）

3.結(jié)論

（1）強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中陰保站的設(shè)置、陽(yáng)極地床的設(shè)計(jì)以及陰保站電源設(shè)備的選型都會(huì)影響陰極保護(hù)的效果。

（2）借助有限元的思路，利用解析法可以有效分析管道沿線電位等的變化規(guī)律。

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